Tikra kosmoso fosilija: Paukščių Take rasta žvaigždė atskleidė, kaip prasidėjo visata

Paukščių Take aptikta žvaigždė yra pati „gryniausia“ senovinė žvaigždė, kokią iki šiol pavyko rasti astronomams. Tai reiškia, kad ją beveik (nors ir ne visiškai) aplenkė vadinamieji metalai – sunkesni už helį elementai, kurie Visatoje plačiau paplito tik po to, kai pirmosios žvaigždės spėjo nugyventi savo gyvenimą ir žūti.

Ši žvaigždė – tarsi ankstyvosios Visatos fosilija, greičiausiai susiformavusi iš dujų, kurias praturtino vienas pirmųjų supernovos sprogimų. Kadaise tai buvo nedidelės masės, į Saulę panaši žvaigždė, tačiau dabar SDSS J0715-7334 jau pasiekė pagrindinės sekos pabaigą ir virto raudonąja milžine, artėjančia prie savo gyvenimo pabaigos.

„Šios beveik nepaliestos žvaigždės yra langai į žvaigždžių ir galaktikų aušrą Visatoje“, – teigė Čikagos universiteto kosmologas Alexanderis Ji, vadovavęs tyrimui.

Po Didžiojo sprogimo erdvę užpildė karštas, tankus plazmos „rūkas“, sudarytas iš mažų atominių branduolių ir laisvųjų elektronų. Šviesa pro jį sklisti negalėjo: fotonai nuolat atsitrenkdavo į elektronus, todėl Visata buvo tamsi.

Maždaug po 300 tūkst. metų Visata atvėso tiek, kad protonai ir elektronai galėjo susijungti ir suformuoti neutralų vandenilį bei nedidelį kiekį helio. Iš tankesnių šių pirmapradžių dujų sankaupų gimė pačios pirmosios žvaigždės – vadinamosios III populiacijos žvaigždės.

Elementai, sunkesni už helį, plačiau paplito tik tuomet, kai šios pirmosios žvaigždės mirė. Žvaigždės energiją gauna iš branduolinės sintezės – proceso, kurio metu lengvesni atomai jungiasi į sunkesnius: vandenilis virsta heliu, helis – anglimi ir taip toliau. Astronomijoje elementai, sunkesni už helį, vadinami metalais.

Sintezės grandinė žvaigždėse iš esmės baigiasi ties geležimi, nes jos jungimas reikalauja daugiau energijos, nei jos išskiria. Vis dėlto dar sunkesni elementai susidaro per galingus supernovų sprogimus, žyminčius masyvių žvaigždžių mirtį. Tokie sprogimai paskleidžia sunkiuosius elementus kosmose, o vėliau jie patenka į naujai besiformuojančias žvaigždes.

Visos iki šiol ištirtos žvaigždės turi bent šiek tiek tokių metalų, tačiau jų kiekiai labai skiriasi. Mažiausiai metalų turinčios žvaigždės priskiriamos II populiacijai – jų sudėtis rodo, kad jos galėjo būti praturtintos tik III populiacijos žvaigždžių palikimu.

„III populiacijos žvaigždžių niekada nepavyko tiesiogiai stebėti – arba todėl, kad jos buvo masyvios, gyveno trumpai ir greitai žuvo, arba todėl, kad mažos masės III populiacijos žvaigždės, kurios galėtų išlikti iki šių dienų, yra itin retos“, – aiškino „Johns Hopkins“ universiteto astronomas Kevinas Schlaufmanas. Pasak jo, pirmosios žvaigždžių kartos savybės išlieka vienas svarbiausių šiuolaikinės astrofizikos nežinomųjų.

Dėl šios priežasties astronomai itin aktyviai ieško II populiacijos žvaigždžių ir tiria jų cheminę sudėtį – taip galima netiesiogiai suprasti, kokios buvo žvaigždės, iš kurių „pelenų“ jos susiformavo.

SDSS J0715-7334 buvo aptikta beveik atsitiktinai. A. Ji ir jo studentai, naudodamiesi „Sloan Digital Sky Survey“ duomenimis, mokymo proceso metu ieškojo įdomesnių objektų stebėjimams. Pirmąją naktį prie teleskopo ši žvaigždė buvo vos antrasis pasirinktas taikinys: planuota ją stebėti 10 minučių, tačiau galiausiai į ją žiūrėta net tris valandas.

„Visą naktį žiūrėjau į kamerą, kad įsitikinčiau, jog ji tikrai veikia“, – pasakojo viena iš tyrime dalyvavusių studenčių astronomė Natalie Orrantia.

Detalesnė analizė parodė, kad žvaigždės sudėtis beveik vien vandenilis ir helis. Jos metalingumas siekia vos 0,005 proc. Saulės metalingumo ir yra beveik perpus mažesnis nei ankstesnio rekordininko.

Spektre aptiktas tik menkas geležies pėdsakas, o bendras metalingumas yra 40 kartų mažesnis nei kitos, iki tol žinotos, labiausiai geležies stokojančios žvaigždės. Tačiau labiausiai tyrėjus nustebino ypač mažas anglies kiekis.

„Žvaigždėje anglies tiek mažai, kad tai leidžia manyti, jog ją formuotis padėjo ankstyvas kosminių dulkių „pabarstymas“. Tokį susidarymo kelią esame matę tik vieną kartą“, – teigė A. Ji.

Paprastai dujoms, kad jos galėtų pakankamai atvėsti ir pradėti formuoti žvaigždes, reikia tam tikrų elementų, tokių kaip anglis ar deguonis. Manoma, kad pirmųjų – III populiacijos – žvaigždžių formavimasis rėmėsi vandenilio molekulėmis, tačiau šis mechanizmas yra mažiau efektyvus. Atsiradus angliai, ji tapo pagrindiniu „aušinimo“ veiksniu, leidusiu žvaigždėms formuotis visoje Visatoje.

Vis dėlto SDSS J0715-7334 spektras nerodo gryno vandenilio aušinimo scenarijaus, kuris, tikėtina, būdingas pačioms pirmosioms žvaigždėms. Vietoj to žvaigždės chemija leidžia įtarti retą tarpinį režimą: anglies buvo per mažai įprastam aušinimo keliui, todėl dujoms subliūkšti greičiausiai padėjo menki kosminių dulkių kiekiai – III populiacijos supernovų paliktos „pelenų“ dalelės.

Tyrėjai pabrėžia, kad šiai hipotezei patikrinti reikės rasti daugiau panašiai metalų stokojančių žvaigždžių skirtingose aplinkose.

Žvaigždės padėtis ir judėjimas danguje rodo, kad ji galėjo atkeliauti ne iš Paukščių Tako, o iš Didžiojo Magelano Debesies – nykštukinės galaktikos, skriejančios aplink Paukščių Taką. Tai reikštų, kad Didžiajame Magelano Debesyje gali būti daugiau itin metalų stokojančių žvaigždžių, kurios dar laukia atradimo.

„Gali būti, kad tokiose galaktikose kaip Magelano Debesys rasime santykinai didesnę itin metalų neturtingų žvaigždžių dalį nei pačiame Paukščių Take“, – sakė K. Schlaufmanas. Pasak jo, norint suprasti, kas iš tiesų vyko labai seniai, kai Paukščių Takas buvo jaunas, dar liko daug darbo – kol kas mokslininkai tik pradėjo braižyti šio laikotarpio žemėlapį.

Atradimas paskelbtas žurnale Nature Astronomy.